CN112117889B - 一种数字化控制功率变换器的自适应斜率补偿方法 - Google Patents

一种数字化控制功率变换器的自适应斜率补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种数字化控制功率变换器的自适应斜率补偿方法，用于处理电压纹波得最终补偿斜率反馈回功率电路中，包括以下步骤：步骤1，输入电压纹波得驱动控制电路的控制信号；步骤2，检测控制信号得到N周期关断时间，并由此构造N时间队列；步骤3，在N时间队列的关断时间中选取其中最大最小值来计算频率抖动幅度；步骤4，根据频率抖动幅度TJitter和预先设定的参考频率抖动幅度值Tset进行斜率闭环调节从而得到最终补偿斜率Sc，并将该最终补偿斜率Sc对功率电路进行斜率补偿。因此本发明提供的数字化控制功率变换器的自适应补偿方法使在系统运行时能自动调节最优补偿斜率，始终维持合适的补偿值和动态响应速度来改善控制系统的暂态性能。

Description

一种数字化控制功率变换器的自适应斜率补偿方法
技术领域
本发明涉及一种数字化控制功率变换器的自适应斜率补偿方法，用于解决功率变换器在稳态状态下要求输出纹波小导致的控制系统频率抖动的问题。
背景技术
随着高性能的微处理器尤其是DSP数字控制器的不断发展，数字化控制功率变换器的应用日益广泛，针对传统模拟控制器的局限性，采用的数字控制器有系统构成简单、可靠性高、灵活性强、兼容性好和易于实时监控的特点。
随着电子信息技术和互联网的发展，计算机等电子设备的微处理器对微处理器等负载的供电系统提出了新的要求：更低的输出电压；更大的输出电流；极快速的动态响应能力。虽然相比于，基于纹波反馈的变频调制技术具有轻载效率高、动态响应性能好等优点。然而频率抖动对功率变换器起到干扰作用并且加剧了系统的电磁兼容等问题，传统的电压控制模式和电流模式采用的提高补偿斜率的方法有降低灵敏度并且降低动态响应速度的缺点，在稳态工作状态下传统功率变换器的控制系统仍然存在无法解决低输出电压纹波和快动态响应能力的平衡问题、功率变换器的控制系统对噪声非常敏感等问题。
发明内容
本发明为解决上述问题而进行，提供一种数字化控制功率变换器的自适应斜率补偿方法能够在保证有效限制频率抖动的情况下最大限度提高系统性能，具体采用了技术方案如下：
本发明提供了一种数字化控制功率变换器的自适应斜率补偿方法，用于对输入变换器中功率电路的电压纹波进行处理生成相应的最终补偿斜率，并反馈到功率电路中，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，输入电压纹波得到用于驱动并控制功率电路的控制信号；步骤2，检测控制信号，得到该控制信号的N周期关断时间，根据该N周期关断时间构造N时间队列；步骤3，通过在N时间队列的关断时间中选取的最大关断时间和最小关断时间，来计算频率抖动幅度TJitter；步骤4，根据频率抖动幅度TJitter和预先设定的参考频率抖动幅度值Tset进行斜率闭环调节从而得到最终补偿斜率Sc，并将该最终补偿斜率Sc对功率电路进行斜率补偿。
根据本发明提供的数字化控制功率变换器的自适应斜率补偿方法，还可以具有这样的技术特征，其特征在于，其中，斜率闭环调节为将限定的补偿斜率变化量ΔS逐周期叠加在上一关断时间补偿斜率信号上得到的限定的最终补偿斜率值Sc。
根据本发明提供的数字化控制功率变换器的自适应斜率补偿方法，还可以具有这样的技术特征，其特征在于，其中，斜率闭环调节采用的方法为闭环控制算法、扰动观察法、Fuzzy模糊控制算法以及精神网络控制算法中的任意一个。
根据本发明提供的数字化控制功率变换器的自适应斜率补偿方法，还可以具有这样的技术特征，其特征在于，其中，步骤4中包含以下子步骤：步骤4-1，通过频率抖动幅度TJitter和参考频率抖动幅度值Tset的差值Ek经内部数字调节处理得到补偿斜率；步骤4-2，根据预先设定的补偿斜率的上下限从而求得补偿斜率变化量ΔS并进行斜率闭环调节；步骤4-3，将由电压纹波计算得到的频率抖动幅度TJitter与参考频率抖动幅度值Tset比较，并通过调节补偿斜率得到最终补偿斜率Sc。
发明作用与效果
根据本发明提出的一种数字化控制功率变换器的自适应斜率补偿方法，先检测处理控制信号得到该开关的N时间队列，由此选取出最大最小关断时间并计算频率抖动幅度并将得到的频率抖动幅度和预先设定的参考频率抖动幅度值Tset通过内部数字处理得到补偿斜率的上下限，将由补偿斜率的上下限得到的补偿斜率变化量ΔS进行斜率闭环调节，将由功率电路输出的电压纹波计算得到的频率抖动幅度TJitter与参考频率抖动幅度值Tset比较并调节斜率补偿得相应的最终补偿斜率Sc，最后将Sc输出回到功率电路中，从而实现对于输出的电压纹波的处理。因此本发明提供的数字化控制功率变换器的自适应斜率补偿方法能在系统运行过程中自动调节补偿斜率达到最优值，使得采用的补偿斜率能够使数值化控制功率变换器在所有限制频率抖动的工作条件下既不受到干扰也保持相应较高的动态响应速度从而最大限度提高系统性能。
附图说明
图1是本发明实施例中的自适应补偿方法的框架图；
图2是本发明实施例中的基于频率抖动闭环的补偿斜率自适应控制方法的框架图；
图3是本发明实施例中的基于频率抖动闭环的补偿斜率自适应补偿方法的流程图；
图4是本发明实施例中的基于频率抖动闭环的补偿斜率自适应控制程序的流程图；
图5是本发明实施例中实验样机所设置的参数；
图6是本发明实施例中的负载突变过程中，自适应补偿方法的斜率闭环控制波形图；以及
图7是本发明实施例中的稳态时，自适应补偿方法的斜率闭环控制波形图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明的数字化控制功率变换器的自适应斜率补偿方法作具体阐述。
<实施例>
针对本发明的数字化控制功率变换器的自适应斜率补偿方法，本实施例为通过限制恒定导通时间来控制Buck变换器频率抖动的斜率自适应补偿方案。本实施例在满足频率抖动限定条件下选取最优补偿斜率，从而减少斜率补偿对COT模式的快速响应能力和输出直流偏置的影响。数字化控制功率变换器是在传统的功率变换器添加自适应补偿方法得到的。其中，COT为功率变换器的缩称。
图1是本发明实施例中的自适应补偿方法的框架图。
如图1所示，数字化控制功率变换器主要分为变频控制部分和自适应补偿部分。
其中，变频控制模块为通过将输入的电压纹波反馈给变频控制器并通过开关信号反馈给功率电路驱动，数字化控制功率变换器包含各种变换器拓扑结构及变频控制方法。数字化控制功率变换器的拓扑结构有降压变换器、升压变换器等。变频控制方法有恒定导通时间控制、恒定关断时间控制和滞环控制等。
自适应补偿方法为首先由反馈变量检测方法或算法检测到变频控制环路中的反馈变量的变化，在通过自适应补偿算法或补偿电路处理反馈变量的变化量得到相应的控制变量，最后通过控制变量对系统参数中的开关信号进行自适应补偿。
图2是本发明实施例中的基于频率抖动闭环的补偿斜率自适应控制方法的框架图。
如图2所示，控制方法采用数字化控制，利用DSP数字控制器可以简化反馈环路设计并易于实现对控制信号的检测和对补偿斜率的计算。
图3是本发明实施例中的基于频率抖动闭环的补偿斜率自适应补偿方法的流程图。
如图3所示，一种数字化控制功率变换器的自适应斜率补偿方法的流程包含步骤1至步骤6，具体包含如下步骤1至步骤6。
步骤1，输入电压纹波得到用于驱动并控制功率电路的控制信号。
步骤2，检测控制信号，得到该控制信号的N周期关断时间，根据该N周期关断时间构造N时间队列。
其中，周期关断时间为以当前开关导通结束的时刻为开关的开始时刻，下一次开关导通开始的时刻为开关的结束时刻所构成的时间段，由第一个周期的关断时间到第N个周期的关断时间所组成的时间队伍为N时间队列。
步骤3，通过在N时间队列的关断时间中选取的最大关断时间和最小关断时间，来计算频率抖动幅度TJitter。
其中，频率抖动幅度TJitter为在数字化控制功率变换器稳态工作一段时间内出现的关断时间中的最大与最小开关频率之差。
步骤4，根据频率抖动幅度TJitter和预先设定的参考频率抖动幅度值Tset进行斜率闭环调节从而得到最终补偿斜率Sc，并将该最终补偿斜率Sc对功率电路进行斜率补偿。
其中，步骤4的子步骤包括步骤4-1至步骤4-3。
步骤4-1，通过频率抖动幅度TJitter和参考频率抖动幅度值Tset的差值Ek经内部数字调节处理得到补偿斜率。
在本实施例中，内部数字调节处理经由作为内部数字调节器的PID控制器处理得到的。
步骤4-2，根据预先设定的补偿斜率的上下限从而求得补偿斜率变化量ΔS并进行斜率闭环调节。
在本实施例中，斜率闭环调节为数字化控制功率变换器将补偿斜率变化量ΔS逐周期叠加在上一关断时间补偿斜率信号上得到的，斜率闭环调节采用的方法为闭环控制算法、扰动观察法、Fuzzy模糊控制算法以及精神网络控制算法中的任意一个。
闭环控制算法为具有多个零极点的补偿算法，用控制变量输出结果，例如PID控制算法；扰动观察法为通过调整可变步骤来调整补偿斜率的自适应补偿算法并进行工作点的微调，当反馈量变大时，继续进行同方向的参数调整；当反馈量变小时则向反馈量变大的方向调整；Fuzzy模糊控制算法：将输入的反馈变量转换成适用于模糊计算的模糊量，并通过模糊控制器的运算，将结果转换成精确的控制量从执行器输出；精神网络控制算法：通过学习反馈变量的特征，建立对应网络模型，输出控制变量的方法。
步骤4-3，将由电压纹波计算得到的频率抖动幅度TJitter与参考频率抖动幅度值Tset比较，并通过调节补偿斜率得到最终补偿斜率Sc。
在本实施例中，同步整流Buck电路部分：Vin、Vo、Cin和Co分别表示输入电压、输出电压、输入电容和输出电容；Q1、Q2表示同步整流器的上、下开关管；VSW表示开关节点电压；L表示输出滤波电感；RESR表示输出电容等效串联电阻；RL表示负载电阻；Vref为参考电压，由数字控制器中DAC提供；K(Vref-Vo)为输出电压纹波反馈放大信号。图3中数字控制反馈环路部分(灰色阴影部分)，Comp表示数字控制器内部模拟比较器；Ton为恒定导通时间；Toff1、Toff2分别表示连续N个周期最小和最大关断时间；TJitter为频率抖动幅度；Tset为系统预设频率抖动幅度限定值；ΔS表示斜率调节值；Sc为自适应补偿信号的斜率值。
图4是本发明实施例中的基于频率抖动闭环的补偿斜率自适应控制程序的流程图。
如图4所示，图4中的部分1对应于步骤1的处理电压纹波得到控制信号的过程，具体为首先通过对系统设置以及相应的外设进行初始化，再设置闭环系数KP和Ki、设定参数Tset、N、i＝0，Toff1＝∞、Toff2＝0、Toff＝0，在判断K(Vref-Vo)>Sc·t时产生COT控制信号并在其上升沿产生定时器中断并记录中断时间，否则重新判断K(Vref-Vo)>Sc·t，直至达到预先设置的条件。
图4的部分2为步骤2和步骤3中的通过N周期关断时间构造N时间队列和通过最大关断时间和最小关断时间来计算频率抖动幅度的过程，具体为根据部分1中所记录的中断时间计算周期关断时间为Toff并置零定时器计数值，判定是否满足Toff[i]＝Toff1和Toff[i]＝Toff2之一，当判定为是时，记录关断时间最值Toff1＝MIN(Toff1，Toff[i])，Toff1＝MAX(Toff1，Toff[i])；当判定为否时，更新关断时间最值Toff1和Toff1。
图4的部分3为步骤4至步骤6中的计算控制信号获得补偿斜度、根据补偿斜率的上下限进行斜率调节和将补偿斜率输出至功率变换器中的部分，具体为根据部分2的结论判定当前是否在i++时，i＝N。当判断为是时，设置i＝0，计算TJitter并执行PI闭环调节限定斜率值和斜率变化率；否则直接计算TJitter并执行PI闭环调节限定斜率值和斜率变化率。
图5是本发明实施例中实验样机所设置的参数。
为验证本发明中的数字化控制功率变换器的自适应斜率补偿方法，设计并搭建数字化恒定导通时间控制Buck变换器。变换器输入电压为12V，输出电压为1.5V，测试负载电流分别为2A、4A和6A。如图5所示，图5为实验样机设置的详细参数。其中，输出电容采用低ESR的贴片陶瓷电容多个并联，并采用mΩ级精密电容与之串联。检测频率抖动所需的开关周期N＝30。
在实验中，针对本实施例中的方法，本实施例分别进行了在暂态实验下和在稳态实验下的补偿函数的变化情况，进行的实验结果如下：
1、暂态实验
负载电流为6A时控制系统限制TJitter＝150ns的斜率比负载电流为2A时小。
图6是本发明实施例中的负载突变过程中，自适应补偿方法的斜率闭环控制波形图。
图6中的(a)图为负载电流由2A至6A突变，补偿斜率的变换情况的示波图。
图6中的(b)图为负载电流由6A至2A突变时的补偿斜率的变换情况的示波图。
如图6中的(a)图所示，通过将变频控制环路的补偿斜率设计得较低的方法来降低负载突变过程中TJitter短时增大对控制系统的冲击，随负载电流上升，较小的补偿斜率足够限制TJitter＝150ns的预设值。因此，补偿斜率开始自适应下降，直到调整到最优值。
如图6中的(b)图所示，随负载突变的结束，补偿斜率开始自适应增加，以满足低负载情况下的频率抖动限定条件。
其中DSP数字控制器内部斜率补偿值为数字量，波形的斜率补偿波形为DAC输出。
2、稳态实验
图7是本发明实施例中的稳态时，自适应补偿方法的斜率闭环控制波形图。
由图7可以看出，控制系统在负载突变前后，频率抖动幅度能稳定跟随设定值Tset＝150ns，因而证明了本文提出的斜率自适应调节方法具有较强的抗干扰能力，能有效地通过自适应调节补偿斜率从而实现Jitter的闭环调节。
结合上述实验中的检测结果可以得知：在暂态情况下：无论是在负载突变过程中还是在负载突变结束之后，伴随着负载电流的变化，相应的补偿斜率都能足够限制的频率抖动幅度的预先设定值，从而使得在全工况下都能有效地限制频率抖动幅度，保证系统始终在最优补偿斜率下工作。
实施例作用与效果
根据本发明提出的一种数字化控制功率变换器的自适应斜率补偿方法，先检测处理控制信号得到该开关的N时间队列，由此选取出最大最小关断时间并计算频率抖动幅度并将得到的频率抖动幅度和预先设定的参考频率抖动幅度值Tset通过内部数字处理得到补偿斜率的上下限，将由补偿斜率的上下限得到的补偿斜率变化量ΔS进行斜率闭环调节，将由功率电路输出的电压纹波计算得到的频率抖动幅度TJitter与参考频率抖动幅度值Tset比较并调节斜率补偿得相应的最终补偿斜率Sc，最后将Sc输出回到功率电路中，从而实现对于输出的电压纹波的处理。因此本发明提供的数字化控制功率变换器的自适应斜率补偿方法能在系统运行过程中自动调节补偿斜率达到最优值，使得采用的补偿斜率能够使数值化控制功率变换器在所有限制频率抖动的工作条件下既不受到干扰也保持相应较高的动态响应速度从而最大限度提高系统性能。
上述实施例仅用于举例说明本发明的具体实施方式，而本发明不限于上述实施例的描述范围。

Claims (4)

1.一种数字化控制功率变换器的自适应斜率补偿方法，用于根据输入变换器中功率电路的电压纹波进行闭环调节从而得到最终补偿斜率并将所述最终补偿斜率反馈到所述功率电路进行斜率补偿，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，输入所述电压纹波得到用于驱动并控制所述功率电路的控制信号；
步骤2，检测所述控制信号，得到该控制信号的N周期关断时间，根据该N周期关断时间构造N时间队列；
步骤3，在所述N时间队列的所述关断时间中选取的最大关断时间和最小关断时间，来计算频率抖动幅度TJitter；
步骤4，根据所述频率抖动幅度TJitter和预先设定的参考频率抖动幅度值Tset进行斜率闭环调节从而得到最终补偿斜率Sc，并将该最终补偿斜率Sc对所述功率电路进行斜率补偿。
2.根据权利要求1所述的数字化控制功率变换器的自适应斜率补偿方法，其特征在于：
其中，所述斜率闭环调节为将限定的所述补偿斜率变化量ΔS逐周期叠加在上一所述关断时间补偿斜率信号上从而得到限定的最终补偿斜率值Sc。
3.根据权利要求1所述的数字化控制功率变换器的自适应斜率补偿方法，其特征在于：
其中，所述斜率闭环调节采用的方法为闭环控制算法、扰动观察法、Fuzzy模糊控制算法以及精神网络控制算法中的任意一个。
4.根据权利要求1所述的数字化控制功率变换器的自适应斜率补偿方法，其特征在于：
其中，所述步骤4中包含以下子步骤：
步骤4-1，通过所述频率抖动幅度TJitter和所述参考频率抖动幅度值Tset的差值Ek经内部数字调节处理得到补偿斜率；
步骤4-2，根据预先设定的所述补偿斜率的上下限从而求得补偿斜率变化量ΔS并进行斜率闭环调节；
步骤4-3，将由所述电压纹波计算得到的所述频率抖动幅度TJitter与所述参考频率抖动幅度值Tset比较，并通过调节所述补偿斜率得到所述最终补偿斜率Sc。
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